面向LED智能照明與物聯網集成的數字驅動光組件研究初探

李金偉

摘要：光組件數字驅動控制芯片基于單芯片數模混合集成電路設計技術，采用高密度多層互聯封裝框架基板的一體式封裝，實現物聯網應用場景傳感模塊、處理模塊、無線收發模塊與能量管理模塊全功能模塊片上系統（SIP）集成。在此基礎上，結合色溫可調燈具，進行算法優化與接口技術研究，能夠有效解決當前傳統光組件產品智能控制方案復雜、成本較高、功能稀缺、系統兼容性差等問題。

關鍵詞：數字驅動光組件；智能照明：電源管理芯片

引言

LED光組件作為一種高效、低功耗的光源得到廣泛應用及推廣，與物聯網智能控制技術相結合的LED智能照明已成為未來發展的必然趨勢，據預測，中國高端智能照明市場5年內容量有望達到2000億元。當前，LED智能照明仍存在諸多問題。第一，國外技術壟斷，市場份額高：國外品牌智能照明系統起步早，研發實力強，由于專利壁壘和技術封鎖，國外品牌占據了國內90%以上的大型公用建筑和70%以上家居智能照明系統的市場份額。第二，解決方案成本高，穩定性差：傳統總線型分布式照明控制方案布線繁瑣，施工困難；PCB板級集成系統功能模塊眾多，總體功耗較高，集成度低。第三，照明調節功能弱：光度調節為分段調節形式，無法進行連續變換，同時燈具頻閃嚴重，調光效果差；無法進行多通道光、色一體化調節。第四，兼容性差：光源組件標準化程度低，各種模塊、接口兼容性差，單一部件模塊損壞極易嚴重影響系統的整體運轉，擴展性移動性差。第五，無線傳感功能差：光源組件作為基于物聯網的智能照明關鍵基礎節點，數量眾多，分布廣泛，但目前短距離傳輸、自組織網絡及相應信息處理芯片研發仍較為落后，無法體現無線傳感網絡技術低成本、低功耗等獨特優勢。針對問題，進行面向智能照明與物聯網集成的光組件研究，研發低成本高集成度多功能新型智能控制數字驅動光組件產品，非常必要。

（一）總體方案、研發內容

我們根據技術發展現狀與市場需求，組織芯片制造、光組件封裝研發以及光組件標準化研究領域的相關科研機構，形成項目聯合體，開展低成本智能控制數字驅動標準光組件研究，具體研究內容如下：

①研究基于物聯網的智能照明光組件的系統級解決方案，包括四種典型產品球泡燈、筒燈、射燈以及燈管；

②研究低成本可編程內核的LED數字電源管理芯片設計，重點研究集成32位ARM Cortex MO內核開發、數模混合集成電路設計技術、多通道數據采集與處理關鍵數字電路模塊、RF無線收發功能模塊射頻模擬電路關鍵技術以及相關算法優化；

③研究高集成度多層互聯片上系統（SIP）一體化封裝技術；

④進行低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件研發與驗證，進行面向智能照明與物聯網集成的數字驅動光組件產品與關鍵技術規格化、標準化研究。

（二）技術路線：

我們研究開發具有自主知識產權的面向智能照明與物聯網集成的數字驅動光組件。針對國外品牌廠商專利壁壘以及智能照明技術發展現狀，以低成本、小型化、智能化為準則，進行了光組件核心數字驅動控制芯片的設計與封裝技術研究；在此基礎上，與可調光燈具形成低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件，下面對具體技術路線進行介紹：

（1）低成本可編程內核的LED數字電源管理芯片設計

電源管理芯片屬于物聯網三層結構中的感知互動層，主要實現對燈具信息的采集、識別和控制，本項目芯片采用片上系統（SIP）設計的思想，利用標準CMOS工藝將射頻、模擬和數字電路統一設計實現于單片芯片中。研發從四部分功能實現入手，包括傳感模塊，處理模塊，無線收發模塊和能量管理模塊。芯片架構如圖l所示。

處理模塊實現數據處理與存儲，芯片采用頻率為50MHz的32位ARM Cortex-MO內核的MCu進行開發，同時嵌入32KB的FLASH和8KB的SRAM存儲；作為芯片主要處理單元。

傳感模塊實現數據采集、控制信號輸出與數模轉換，關鍵數模混合集成電路設計包括可配置模擬前端以及高壓驅動設計，由多個前端總線、放大器、比較器、DAC、多通道ADC以及4個門級驅動構成。采用BUCK降壓拓撲結構設計，對PWM進行調節，形成高精度實時閉環恒流控制，以實現0%-100%無極調光；同時，4個門極驅動利用芯片內部高速信號驅動外接功率器件，實現RGBW四通道色溫可調以及獨有大于100V高壓驅動；進行匹配電路設計，可實現基于LED照明模組的寬功率適應。ADC設計采樣率200KHz，驅動頻率>100KHz，通過特殊調光算法優化，可實現無頻閃效果及人眼視覺曲線調光過程。

無線收發模塊實現節點與外界信息交互，根據無線收發系統組成和CMOS電路功耗來源，研究總結低功耗收發系統架構；根據IEEE 802 15.4標準，選擇接收機和發射機進行ADS系統仿真驗證，設計并制定了無線收發系統及各個模塊電路的性能參數指標，對關鍵模塊電路如低噪聲放大器、功率放大器、混頻器、變增益放大器和濾波器等進行低功耗設計。

能量管理模塊實現芯片系統電源管理，根據芯片功能需求，進行多供電模式設計，包括高壓供電模式、超高壓Buck模式、AC/DC模式以及flyback模式，可接受高達52V的DC輸入或線性AC輸入；同時進行安全性設計，包括電源的穩壓、溫度監控，休眠管理，故障和報警檢測等方面。

（2）LED數字電源管理芯片片上系統集成封裝設計

電源管理芯片封裝應用Q封或MCM封裝技術，在高密度多層互聯封裝框架基板上，采用Bonding或SMT方式將片上系統芯片塑封成一體式的電子芯片模塊。方法如下：設計IC芯片系統集成功能驗證中測方法，將板級系統功能導入IC封裝框架方案設計；IC芯片系統封裝形態選型、規劃與代工方案選擇；提取封裝模型，進行電性能、SI/PI性能、熱性能分析；在此基礎上進行原理圖設計、版圖設計以及整體性能分析，生成加工文件進行封裝加工，進行過程控制；最后進行封裝成測數據收集分析。封裝可實現系統內部信號傳輸快速響應，系統芯片體積小型化，同時改善芯片散熱，保障系統芯片的高可靠性，大幅度降低成本。互聯封裝示意圖如圖2。

（3）低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件研究

研究分析基于物聯網的智能照明光組件的系統級解決方案，基于上述自主研發數字電源管理芯片（應用范例見圖3），根據典型LED照明產品球泡燈、筒燈、射燈以及燈管特性，進行了低成本智能控制多通道RGB+白光光源組件的應用研究與驗證。根據智能照明需求，分別從光、機、電＼控制、熱、工藝五個方面進行燈具整體設計。通過理論分析、數值計算以及建模仿真，考量結構是否滿足設計目標要求；研究智能照明產品驅動RGB+白光多通道獨立控制關鍵技術，進行低成本智能控制的LED多通道可調光驅動電源研制，并進一步形成RGB+白光標準光組件，開展光機電熱接口規格化、標準化研究，形成可兼容、可互換系列產品。

（三）結論與討論

綜上所述，針對當前傳統光組件產品智能控制國外壟斷嚴重、方案復雜、成本較高、功能稀缺、系統兼容性差等問題，進行面向智能照明與物聯網集成的光組件研究，研發低成本高集成度多功能新型智能控制數字驅動光組件產品。光組件數字驅動控制芯片基于單芯片數模混合集成電路設計技術，采用高密度多層互聯封裝框架基板的一體式封裝，實現物聯網應用場景傳感模塊、處理模塊、無線收發模塊與能量管理模塊全功能模塊片上系統（SIP）集成。在此基礎上，結合色溫可調燈具，進行算法優化與接口技術研究，實現如下兩點創新：一、首次實現低成本可編程內核的LED數字電源管理芯片傳感、處理、無線通信、能量管理多功能片上系統（SIP）集成。二、LED數字電源管理芯片具備RGB+白光多通道色溫調節功能；0%-100%無極調光功能；含人眼視覺曲線校正功能；ZIGBEE射頻通信功能。并形成具有自主知識產權的低成本智能控制多通道RGB+白光標準光組件，實現0%-100%無極調光、光色一體化調節及無線智能調控，對推動基于物聯網的智能照明關鍵基礎器件應用研究發展與產業化具有重要的意義。